GIPV: Інтегрована будівлям фотоелектрики з частковою прозорою сонячною модулями, що інтегруються, фотоелектрики

Фотоелектричні системи, інтегровані в будівлю (BIPV), стосуються фотоелектричних матеріалів, які замінюють традиційні будівельні матеріали в частинах огороджувальної конструкції будівлі, таких як дах, мансардні вікна або фасад. Вони все частіше інтегруються в нові будівлі як основне або вторинне джерело живлення, а існуючі будівлі також можуть бути модернізовані за допомогою подібної технології. Перевага інтегрованих фотоелектричних систем над традиційними неінтегрованими системами полягає в тому, що початкові витрати можна компенсувати за рахунок зменшення витрат на будівельні матеріали та робочу силу, які зазвичай потрібні для будівництва тієї частини будівлі, яку замінюють модулі BIPV. Крім того, BIPV забезпечує ширше поширення сонячних установок, коли естетика будівлі є важливим фактором, а традиційні стійкові сонячні панелі псують запланований зовнішній вигляд.

Термін BAPV (building-applied photovoltaics - фотоелектричні системи, що використовуються в будівлях) іноді використовується для позначення фотоелектричних систем, які модернізуються в будівлях. Більшість інтегрованих у будівлі систем дійсно є BAPV. Деякі виробники та забудовники розрізняють BIPV та BAPV у новому будівництві.

Застосування фотоелектричних систем, інтегрованих у будівлі (BIPV), з'явилося в 1970-х роках. Фотоелектричні модулі з алюмінієвим каркасом кріпилися або монтувалися на будівлях, зазвичай розташованих у віддалених районах без доступу до електромережі. У 1980-х роках почали встановлювати дахові фотоелектричні системи. Ці фотоелектричні системи, як правило, встановлювалися на будівлях, підключених до електромережі та розташованих у районах з централізованими електростанціями. У 1990-х роках продукти BIPV, спеціально розроблені для інтеграції в огороджувальну конструкцію будівлі, стали комерційно доступними. У докторській дисертації Патріни Айфферт 1998 року під назвою «Економічна оцінка BIPV» було висунуто гіпотезу про те, що одного дня торгівля кредитами на відновлювану енергію (REC) матиме економічну цінність. Економічна оцінка та коротка історія BIPV, проведені Національною лабораторією відновлюваної енергетики США у 2011 році, свідчать про те, що значні технічні труднощі залишаються, перш ніж вартість встановлення BIPV зможе конкурувати з витратами на фотоелектричні системи. Однак, зростає консенсус щодо того, що системи BIPV, завдяки широкій комерціалізації, стануть основою європейської мети будівництва з нульовим енергоспоживанням (ZEB) до 2020 року. Незважаючи на багатообіцяючі технічні можливості, також були виявлені соціальні бар'єри для широкого впровадження, такі як консервативна культура будівельної галузі та інтеграція у міське планування з високою щільністю забудови. Автори зазначають, що довгострокове впровадження, ймовірно, залежатиме як від ефективних політичних рішень, так і від технологічного розвитку.

Напівпрозорі сонячні модулі пропонують цікавий спосіб інтеграції фотоелектричних систем, інтегрованих у будівлі (BIPV), в архітектуру та міське планування. Цей новий тип виробництва сонячної енергії з високою ймовірністю стане важливим компонентом світового виробництва електроенергії в майбутньому.

Інтегровані в будівлю фотоелектричні системи з напівпрозорими сонячними модулями є привабливим варіантом для будівництва енергоефективних будівель. Ця технологія може допомогти знизити витрати на енергію, одночасно покращуючи зовнішній вигляд будівлі.

Крім того, напівпрозорі сонячні панелі можна використовувати для спрямування денного світла всередину будівлі. Це не тільки економить енергію, але й зменшує вартість штучного освітлення.

Таким чином, інтегровані в будівлю фотоелектричні системи (BIPV) – це високоефективна та універсальна форма відновлюваної енергії. Вона має потенціал для сталого покращення енергопостачання будівель.

Сонячні модулі з кристалічного кремнію для наземних та дахових електростанцій.

Аморфні кристалічні кремнієві тонкоплівкові сонячні фотоелектричні модулі, які можуть бути порожнистими, легкими, червоними, синіми та жовтими, що використовуються як скляний фасад та прозорий світловий люк.

Тонкоплівкові елементи на основі CIGS (селенід міді, індію, галію) на гнучких модулях, які ламіновані на елемент огороджувальної конструкції будівлі, або елементи CIGS монтуються безпосередньо на підкладку огороджувальної конструкції будівлі.

Сонячні модулі з подвійним склінням та квадратними комірками всередині.

плоскі дахи

Найпоширенішим рішенням на сьогодні є аморфний тонкоплівковий сонячний елемент, інтегрований у гнучкий полімерний модуль, який кріпиться за допомогою клейкої плівки між задньою стінкою сонячного модуля та мембраною даху. Використовуючи технологію селеніду міді та індію галію (CIGS), американська компанія досягла ефективності елемента 17% для інтегрованих у будівлю модулів з одношаровими TPO мембранами.

Скатні дахи

Сонячна черепиця — це (керамічна) черепиця з інтегрованими сонячними модулями. Керамічну сонячну черепицю розробила та запатентувала голландська компанія у 2013 році.

Модулі у формі кількох черепиць.

Сонячна черепиця – це модулі, які виглядають і функціонують як звичайна черепиця, але містять гнучку тонкоплівкову комірку.

Вони подовжують термін служби покрівлі, захищаючи ізоляцію та мембрани від ультрафіолетового випромінювання та пошкодження водою. Вони також запобігають утворенню конденсату, підтримуючи точку роси над мембраною покрівлі.

Металеві скатні дахи (як конструкційні, так і архітектурні) зараз оснащуються фотоелектричними функціями, або шляхом приклеювання окремо стоячого гнучкого модуля, або шляхом термовакуумного герметизації елементів CIGS безпосередньо до підкладки.

фасад

Фасади можна прикріплювати до існуючих будівель, надаючи їм абсолютно нового вигляду. Ці модулі монтуються на фасаді будівлі поверх існуючої конструкції, що може підвищити привабливість будівлі та її вартість при перепродажі.

глазурування

Фотоелектричні вікна – це (напів)прозорі модулі, які можуть замінити низку архітектурних елементів, зазвичай виготовлених зі скла або подібних матеріалів, таких як вікна та мансардні вікна. Вони не тільки генерують електричну енергію, але й можуть досягти додаткової економії енергії завдяки своїм чудовим теплоізоляційним властивостям та здатності контролювати сонячне випромінювання.

Фотоелектричні скляні вікна: Інтеграція технологій виробництва енергії в житлові та комерційні будівлі відкрила додаткові галузі досліджень, які приділяють більше уваги загальній естетиці кінцевого продукту. Хоча метою залишається досягнення високої ефективності, нові розробки в галузі фотоелектричних вікон також спрямовані на те, щоб запропонувати споживачам оптимальний рівень прозорості скла та/або можливість вибору з різноманітних кольорів. Сонячні панелі різних кольорів можуть бути розроблені для оптимального поглинання певних діапазонів довжин хвиль із ширшого спектру. Кольорове фотоелектричне скло було успішно розроблено з використанням напівпрозорих, перовскітних та сенсибілізованих барвником сонячних елементів.

• Плазмонні сонячні елементи, що поглинають і відбивають кольорове світло, були розроблені за технологією Фабрі-Перо-Еталона. Ці елементи складаються з двох паралельних, відбивних металевих плівок та плівки діелектричного резонатора між ними. Два електроди виготовлені зі срібла (Ag), а резонатор між ними — зі Sb₂O₃. Змінюючи товщину та показник заломлення діелектричного резонатора, змінюється довжина хвилі, яка найкраще поглинається. Підбір кольору скла поглинального шару до певної частини спектра, для якої найкраще підходять товщина та показник заломлення елемента, покращує як естетику елемента, посилюючи його колір, так і мінімізуючи втрати фотоструму. Пристрої з червоним та синім світлом досягли коефіцієнта пропускання 34,7% та 24,6% відповідно. Пристрої з синім світлом можуть перетворювати 13,3% поглиненого світла на електрику, що робить їх найефективнішими з усіх розроблених та протестованих кольорових пристроїв.
• Технологію перовскітних сонячних елементів можна налаштувати на червоний, зелений та синій діапазони довжин хвиль, змінюючи товщину металевих нанодротів до 8, 20 та 45 нм відповідно. Максимальна енергетична ефективність 10,12%, 8,17% та 7,72% була досягнута шляхом регулювання коефіцієнта відбиття скла до довжини хвилі, для якої найкраще підходить відповідний елемент.
• Сонячні елементи, сенсибілізовані барвником, використовують рідкі електроліти для захоплення світла та перетворення його на корисну енергію, подібно до того, як природні пігменти забезпечують фотосинтез у рослин. Хоча хлорофіл є специфічним пігментом, відповідальним за зелений колір листя, інші природні пігменти, такі як каротиноїди та антоціани, створюють варіації помаранчевих та фіолетових відтінків. Дослідники з Університету Консепсьйона продемонстрували життєздатність кольорових сонячних елементів, сенсибілізованих барвником, які виглядають яскраво та вибірково поглинають певні довжини хвиль світла. Це недороге рішення використовує натуральні пігменти, отримані з плодів макі, чорного мирта та шпинату, як сенсибілізатори. Ці природні сенсибілізатори потім розміщуються між двома шарами прозорого скла. Хоча ефективність цих особливо недорогих елементів залишається неясною, попередні дослідження сонячних елементів, сенсибілізованих органічним барвником, досягли «високої ефективності перетворення енергії 9,8%».

Прозорі сонячні елементи використовують покриття з оксиду олова на внутрішній стороні скляних панелей для проведення електрики від елемента. Елемент містить оксид титану, покритий фотоелектричним барвником.

Більшість звичайних сонячних елементів використовують видиме та інфрачервоне світло для вироблення електроенергії. Натомість цей інноваційний новий сонячний елемент також використовує ультрафіолетове випромінювання. Якщо його використовувати як заміну звичайного віконного скла або розмістити поверх існуючого скла, площа встановлення може бути великою, що призводить до потенційних застосувань, що поєднують виробництво енергії, освітлення та контроль температури.

Інший термін для прозорих фотоелектричних елементів – «напівпрозорі фотоелектричні елементи» (вони пропускають лише половину падаючого світла). Подібно до неорганічних фотоелектричних елементів, органічні фотоелектричні елементи також можуть бути напівпрозорими.

Неселективний за довжиною хвилі

Деякі фотоелектричні системи, що не вибирають довжину хвилі, досягають напівпрозорості завдяки просторовій сегментації непрозорих сонячних елементів. Цей метод використовує будь-який тип непрозорих сонячних елементів і розподіляє кілька невеликих елементів на прозорій підкладці. Така сегментація різко знижує ефективність перетворення енергії та збільшує передачу.

Інший напрямок фотоелектричних систем, що не вибирають довжину хвилі, використовує тонкоплівкові напівпровідники, що поглинають видиме світло, з малою товщиною або достатньо великими забороненими зонами, що дозволяють світлу проходити. Це призводить до напівпрозорих фотоелектричних систем з подібним прямим компромісом між ефективністю та пропусканням, як і просторово сегментовані непрозорі сонячні елементи.

Інший напрямок фотоелектричних систем, що не вибирають довжину хвилі, використовує тонкоплівкові напівпровідники, що поглинають видиме світло, з малою товщиною або достатньо великими забороненими зонами, що дозволяють світлу проходити. Це призводить до напівпрозорих фотоелектричних систем з подібним прямим компромісом між ефективністю та пропусканням, як і просторово сегментовані непрозорі сонячні елементи.

Фотоелектричні елементи, селективні за довжиною хвилі

Фотоелектричні елементи з вибірковою довжиною хвилі (WSPV) досягають прозорості завдяки використанню матеріалів, що поглинають лише ультрафіолетове та/або ближнє інфрачервоне світло, і вперше були представлені у 2011 році. Незважаючи на вищу пропускальність, ефективність перетворення енергії нижча через низку проблем. До них належать короткі довжини дифузії екситонів, масштабування прозорих електродів без шкоди для ефективності та загальний термін служби через нестабільність органічних матеріалів, що використовуються у WSPV.

Інновації у прозорій та напівпрозорій фотоелектричній системі

Ранні спроби розробити неселективні за довжиною хвилі напівпрозорі органічні фотоелектричні елементи з дуже тонкими активними шарами, що поглинають у видимому спектрі, досягли ефективності менше 1%. Однак у 2011 році прозорі органічні фотоелектричні елементи з використанням органічного донора хлоралюмінієвого фталоціаніну (ClAlPc) та акцептора фулерену продемонстрували поглинання в ультрафіолетовому та ближньому інфрачервоному (NIR) спектрі з ефективністю близько 1,3% та пропусканням видимого світла понад 65%. У 2017 році дослідники Массачусетського технологічного інституту розробили метод успішного нанесення прозорих графенових електродів на органічні сонячні елементи, що призвело до пропускання видимого світла 61% та підвищення ефективності на 2,8–4,1%.

Перовскітні сонячні елементи, які дуже популярні як фотоелектричні елементи наступного покоління з ефективністю понад 25%, також виявилися перспективними для прозорих фотоелектричних систем. У 2015 році напівпрозорий перовскітний сонячний елемент з перовскітом на основі трийодиду метиламонію та срібної нанодротяної сітки продемонстрував пропускання 79% на довжині хвилі 800 нм та ефективність приблизно 12,7%.